物理与机电工程学院

（2015——2016 学年第 二 学期）

综合设计报告

开关电源的设计

专业：电子信息科学与技术 学号： 2014216010 姓名：侯 涛 指导教师：石玉军

开关电源的设计

摘要

随着开关电源在计算机、通信、航空航天、仪器仪表及家用电器等方面的广泛应用, 人们对其需求量日益增长, 并且对电源的效率、体积、重量及可靠性等方面提出了更高的要求。开关电源以其效率高、体积小，重量轻等优势在很多方面逐步取代了效率低、又笨重的线性电源。电力电子技术的发展，特别是大功率器件IGBT和MOSFET的迅速发展，将开关电源的工作频率提高到相当高的水平，使其具有高稳定性和高性价比等特性。开关电源技术的主要用途之一是为信息产业服务。信息技术的发展对电源技术又提出了更高的要求，从而促进了开关电源技术的发展。开关电源的高频变换电路形式很多，常用的变换电路有推挽、全桥、半桥、单端正激和单端反激等形式。本文章是基于芯片UC3842的小功率高频开关电源系统设计。

关键词开关电源半桥全桥高频变压器 1、引言

1.1研究的背景

随着大规模和超大规模集成电路的快速发展，特别是微处理器和半导体存储器的开发利用，孕育了电子系统的新一代产品。显然，那种体积大而笨重的使用工频变压器的线性调节稳压电源已经过时。取而代之的是小型化、重量轻、效率高的隔离式开关电源。

开关电源技术发展趋势可以归纳以下几点：

①小型化、薄型化、轻量化、高频化是开关电源的主要发展方向。

②提高可靠性，提高集成度，增加保护功能，拓宽输入电压范围，提高平均 无故障时间。

③随着频率提高，开关电源的噪声随之增大，降低噪声也是高频开关电源的研究方向。

④提高电源装置和系统的电磁兼容性(EMC)。

⑤用计算机软件进行辅助设计与控制，具有高效、高精度、高经济性和高可靠性的优点，可以使开关电源具有最佳电路结构与最佳工作状况。开关电源高频化的实现，与磁性元件和半导体功率器件的发展状况有着密切的关系。

隔离式开关电源的核心是一种高频电源变换电路。它使交流电源高效率地产生一路或多路经调整的稳定直流电压。早在70年代，随着电子技术的不断发展，集成化的开关电源就已被广泛地应用于电子计算机、彩色电视机、卫星通信设备、程控交换机、精密仪表等电子设备。这是由于开关电源能够满足现代电子设备对多种电压和电流的需求。随着半导体技术的高度发展，高反压快速开关晶体管使 无工频变压器的开关电源迅速实用化。而半导体集成电路技术的迅速发展又为开关电源控制电路的集成化奠定了基础，适应各类开关电源控制要求的集成开关稳压器应运而生，其功能不断完善，集成化水平也不断提高，外接组件越来越少，使得开关电源的设计、生产和调整工作日益简化，成本也不断下降。目前

己形成了各类功能完善的集成开关稳压器系列。近年来高反压MOS大功率管的迅速发展，又将开关电源的工作频率从20kHz提高到150~200kHz，其结果是使整个开关电源的体积更小，重量更轻，效率更高。开关电源的性能价格比达到了前所未有的水平，使它在与线性电源的竞争中具有先导之势。当然开关电源能被工业所接受，首先是它在体积、重量和效率上的优势。在70年代后期，功率在100W以上开关电源是有竞争力的。到1980年，功率在50W以上就具有竞争力了。随着开关电源性能的改善，到80年代后期，电子设备的消耗功率在20W以上，就要考虑使用开关电源了。过去，开关电源在小功率范围内成本较高，但进入90年代后，其成本下降非常显着，当然这包括了功率组件，控制组件和磁性组件成本的大幅度下降。此外，能源成本的提高也是促进开关电源发展的因素之一。

1.2 研究的目的及意义 1.2.1研究的目的

随着社会经济的发展，人类已经进入工业时代，并正在转入高新技术产业 迅猛发展的时期，电源是向负载提供优质电能的供电设备，是工业的基础。本论文的目的就是查阅相关资料，掌握开关电源的内部结构，学习怎样设计小功率开关电源的方法，这以后从事相关事业打下基础，开阔视野，从而提高自身的能力。 1.2.2研究的意义

课题研究的意义在于：当代许多高新技术均与电源的电压、电流、频率、相位和波形等基本技术参数的变换和控制相关，电源技术能够实现对这些参数的精 确控制和高效率的处理，因此，电源技术不但本身是一种高新技术，而且还是其评它多项高新技术的发展基础。电源技术及其产业的进一步发展必将为大幅度节约电能、降低材料消耗以及提高生产效率提供重要的手段，并为现代生产和现代生活带来为深远的影响。

1.3 高频开关电源的发展情况 1.3.1开关电源的发展情况

目前我国通信、信息、家电和国防等领域的电源普遍采用高频开关电源，相控电源将逐渐被淘汰。国内开关电源技术的发展，基本上起源于20世纪70年代末和80年代初。当时引进的开关电源技术，在高等院校和一些科研院所停留在实验开发和教学阶段。20世纪80年代中期开关电源产品开始推广和应用。20世纪80年代开关电源的特点是采用20kHz脉宽调制（PWM）技术，效率可达65%~70%。经过20多年的不断发展，开关电源技术有了重大进步和突破。新型功率器件的开发促进了开关电源的高频化，功率MOSFET和IGBT可使小型开关电源的工作频率达到400kHz(AC/DC)或1MHz(DC/DC);软开关技术使高频开关电源的实现有了可能，它不仅可以减少电源的体积和重量，而且提高了电源的效率（国产6kW通信开关电源采用软开关技术，效率可达93%）；控制技术的发展以及专用控制芯片的生产，不仅使电源电路大幅度简化，而且使开关电源的动态性能和可靠性大大提高；有源功率因数校正技术（APFC）的开发，提高了AC/DC开关电源的功率因数，既治理了电网的谐波污染，又提高了开关电源的整体效率。

1.3.2高频开关电源的主要新技术标志

新型磁性材料和新型变压器的开发、新型电容器和EMI滤波器技术的进步以及专用集成控制芯片的研制成功，使开关电源实现了小型化，并提高了EMC性能。微处理器监控技术的应用，提高了电源的可靠性，也适应了市场对其智能

化的要求。新型半导体器件的发展是开关电源技术进步的龙头。目前正在研究高性能的碳化硅半导体器件，一旦开发成功，对电源技术的影响将是革命性的。此外，平面变压器、压电变压器及新型电容器等元器件的发展，也将对电源技术的发展起到重要作用。另外，集成化是开关电源的一个重要发展方向。通过控制电路的集成、驱动电路的集成以及保护电路的集成，最后达到整机的集成化生产。集成化和模块化减少了外部连线和焊接，提高了设备的可靠性，缩小了电源的体积，减轻了重量。目前。

总之，回顾开关电源技术的发展过程，可以看到，高效率、小型化、集成化、智能化以及高可靠性是大势所趋，也是今后的发展方向，因此高频开关电源的发展很具研究意义！

在开关电源领域，我国的民族产业在国内一直占有举足轻重的地位。在开关电源应用的起步阶段，很多生产厂家采取的都是小作坊的生产模式。经过20余年的不懈努力，逐步向大规模生产转化，产品也从单一品种走向系列化。现在，我国已形成一批上亿元甚至10亿元以上产值的电源企业，有些产品已进入国际市场。这是我国开关电源技术不断成熟的表现。

从技术上看，几十年来推动开关电源性能和技术水平不断提高的主要标志如下所述：

（1）新型高频功率半导体器件的开发使实现开关电源高频化有了可能功率MOSFET和IGBT已完全可以取代功率晶体管和晶闸管，从而使中小型开关电源工作频率可以达到400KHz(AC-DC)和1MHz(DC-DC)的水平。超快恢复功率极管，MOSFET同步整流技术的开发也使高效低电压输出(例如3V)开关电源的研制有了可能。现在正在探索研制耐高温的高性能炭化硅功率半导体器 件。

（2）软开关技术使高频率开关变换器的实现有了可能PWM开关电源按硬开关模式工作(开/关过程中电压下降/上升和电流上升/下降波形有交叠)，因而开关损耗大。开关电源高频化可以缩减体积重量，但开关损耗却更大了(功率与频率成正比)。为此必须研究开关电压/电流波形不交叠的技术，即所谓零电压开关(ZVS)/零电流开关(ZCS)技术，或称软开关技术。小功率软开关电源效率可以提高到80-85%。70年代谐振开关电源奠定了软开关技术的基础，以后新的软开关技术不断涌现，如准谐振(80年代中)，全桥ZVS-PWM 、恒频ZVS-PWM/ZCS-PWM(80年代末)、ZVS-PWM有源钳位；ZVT-PWM/ZVCT-PWM(90年代初)；全桥移相ZV-ZCS-PWM(90年代中)等，我国己将最新软开关技术应用于6KW通信电源中，效率达93%。

（3）控制技术研究的进展，例如电流型控制及多环控制，电荷控制，一周期控制，功率因数控制，DSP控制及相应专用集成控制芯片的研制成功等，使开关电源动态性能有很大提高，电路也大幅度简化。

（4）有源功率因数校正技术(APFC)开发，提高了AC-DC开关电源功率因数，由于输入端有整流电容组件，AC-DC开关电源及一大类整流电源供电的电 子设备(如逆变器，UPS)等的电网侧功率因数仅为0.65。80年代用APFC技术后可以提高到0.95-0.99。既治理了电网的谐波“污染”，又提高了开关电源的整体效率。

（5）磁性组件新型材料和新型变压器的开发，例如集成磁路，平面型磁心，超薄型(Low profile)变压器。新型变压器如压电式，无磁心印制电路(PCB)变压器等，使开关电源的尺寸重量都可减少许多。